数字信号基带传输系统仿真.docx
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数字信号基带传输系统仿真
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实践教学
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兰州理工大学
计算机与通信学院
2012年秋季学期
通信系统综合训练
题目：
数字基带传输系统的仿真实现
专业班级：
09级通信（4）班
姓名：
魏旺
学号：
09250417
指导教师：
陈海燕
成绩：
摘要
数字信号的传输方式按其在传输中对应的信号的不同可分为数字基带传输系统和数字频带传输系统。
数字基带传输系统指不经载波调制而直接传输数字基带信号的系统，常用于传输距离不太远的情况下。
本次综合训练通过分析数字基带信号传输的特性，运用SIMULINK软件进行仿真，对数字信号基带传输系统作了仿真。
关键词：
SIMULINK；眼图；抽样判决；数字信号基带传输
前言
随着数字技术的飞速发展与数字器件的广泛使用,数字信号处理在通信系统中的应用已经越来越重要。
数字信号传输系统分为基带传输系统和频带传输系统，本次综合训练就是为了研究数字基带传输系统而进行的。
数字信号的传输方式按其在传输中对应的信号的不同可分为数字基带传输系统和数字频带传输系统。
不使用调制和解调而直接传输数字基带信号的系统称为数字基带传输系统。
虽然在实际使用的数字通信系统中基带传输不如频带传输那样广泛，但是，对于基带传输系统的研究仍然是十分有意义的。
1）在频带传输制式里同样存在基带传输的问题（如码间干扰等），因为信道的含义是相对的，若把调制解调器包括在信道中（如广义信道），则频带传输就变成了基带传输。
可以说基带传输是频带传输的基础。
2）随着数字通信技术的发展，基带传输这种方式也有迅速发展的趋势。
目前,它不仅用于低速数据传输,而且还用于高速数据传输。
3）理论上也可以证明，任何一个采用线性调制的频带传输系统，总是可以由一个等效的基带传输系统所替代。
目录
摘要1
前言2
第1章数字基带传输系统3
1.1数字基带系统的简介3
1.2数字基带系统的信号4
1.3数字基带传输5
1.4数字基带传输系统5
1.5数字基带传输的要求及常用码型7
第2章基带系统的理论分析及设计方案9
2.1基带系统传输模型及工作原理9
2.2基带系统设计中的码间干扰及噪声干扰9
2.3数字基带信号传输码系统组成10
第3章SIMULINK下基带系统的设计与仿真12
3.1信源13
3.2发送滤波器和接收滤波器、信道13
3.3抽样判决器13
第4章基带传输系统的仿真结果及分析15
4.1基带传输系统设计总图及各点输出波形15
4.2眼图的观测结果16
4.3发送信号和接收信号的功率谱17
4.4传输过程的误码率17
总结18
参考文献19
致谢20
第1章数字基带传输系统
1.1数字基带系统的简介
数字通信系统主要的两种通信模式:
数字频带传输通信系统，数字基带传输通信系统。
60年代出现了数字传输技术，它采用了数字信号来传递信息，从此通信进入了数字化时代。
目前，通信网已基本实现数字化，在我国公众通信网中传输的信号主要是数字信号。
数字通信技术的应用越来越广泛，例如数字移动通信、数字卫星通信、数字电视广播、数字光纤通信、数字微波通信、数字视频通信、多媒体通信等等。
数字基带信号指未经调制的数字信号，它所占据的频谱是从零频或很低频率开始的。
数字基带传输系统指不经载波调制而直接传输数字基带信号的系统，常用于传输距离不太远的情况下。
研究数字基带传输系统的原因：
实际中，基带传输不如频带传输应用广泛，但对基带传输的研究仍有非常重要的意义。
这是因为：
第一，数字基带系统在近程数据通信系统中广泛采用；第二，数字基带系统的许多问题也是频带传输系统必须考虑的问题；第三，随着数字通信技术的发展，基带传输这种方式也有迅速发展的趋势，它不仅用于低速数据传输，而且还用于高速数据传输；第四，在理论上，任何一个线性调制的频带传输系统，总是可以有一个等效的基带载波调制系统所替代。
因此，很有必要对基带传输系统进行综合系统的分析。
1.2数字基带系统的信号
通信的根本任务是远距离传输信息，准确地传输数字信息是数字通信中的一个重要环节。
在数字传输系统中，其传输对象通常是二进制数字信息。
它可能是来自计算机、网络或其他数字设备的各种数字代码，也可能来自数字电话终端的脉冲编码信号。
数字信息在一般情况下可以表示为一个数字序列：
…，
…,
…
简记为｛
｝。
是数字序列的基本单元，称为码元。
每一个码元只能取离散的有限个值，例如在二进制中，
取0或1两个值；在M进制中，
取0，1，2，…，M-1等M个值，或者取二进制码的M种排列。
由于码元只有有限个可能取值，所以通常用不同幅度的脉冲表示码元的不同取值，例如用幅度为A的矩形脉冲表示1，用幅度为-A的矩形脉冲表示为0。
这种脉冲信号被称为数字基带信号，这是因为它们所占据的频带通常从直流和低频开始。
数字信号的传输方式按其在传输中对应的信号的不同可分为数字基带传输系统和数字频带传输系统。
不使用调制和解调而直接传输数字基带信号的系统称为数字基带传输系统。
虽然在实际使用的数字通信系统中基带传输不如频带传输那样广泛，但是，对于基带传输系统的研究仍然是十分有意义的。
1）在频带传输制式里同样存在基带传输的问题（如码间干扰等），因为信道的含义是相对的，若把调制解调器包括在信道中（如广义信道），则频带传输就变成了基带传输。
可以说基带传输是频带传输的基础。
2）随着数字通信技术的发展，基带传输这种方式也有迅速发展的趋势。
目前,它不仅用于低速数据传输,而且还用于高速数据传输。
3）理论上也可以证明，任何一个采用线性调制的频带传输系统，总是可以由一个等效的基带传输系统所替代。
1.3数字基带传输
在数字传输系统中所传输的通常是二元数字信号。
设计数字传输系统要考虑的基本想法是选择一组有限个离散的波形来表示数字信息。
这些离散波形可以是载波进行调制后的波形,也可以是不经过调制的不同电平信号。
来自数据终端的原始数据信号，或者是来自模拟信号经数字化处理后的PCM码组，ΔM序列等等都是基带数字信号。
这些信号往往包含丰富的低频分量。
有些场合可以不经过载波调制和解调过程而直接传输，称为基带传输。
系统基带波形被脉冲变换器变换成适应信道传输的码型后，就送入信道，一方面受到信道特性的影响，使信号产生畸变；另一方面信号被信道中的加性噪声所叠加，造成信号的随即畸变。
因此，在接收端必须有一个接收滤波器，使噪声尽可能受到抑制，为了提高系统的可靠性，在安排一个有限整形器和抽样判决器组成的识别电路，进一步排除噪声干扰和提取有用信号。
同步信号的提取方式采用自同步方式（直接法）。
同步系统性能的好坏将直接影响通信质量的好坏，甚至会影响通信能否正常进行。
基带传输包含着数字通信技术的许多问题，频带传输是基带信号调制后再传输的，因此频带传输也存在基带问题。
基带传输的许多问题，频带传输同样须考虑。
如果把调制与解调过程看作是广义信道的一部分，则任何数字传输系统均可等效为基带传输系统。
理论上还可证明，任何一个采用线性调制的频带传输系统，总是可以由一个等效的基带传输系统来代替。
1.4数字基带传输系统
数字基带系统的基本结构如图1.1所示。
图1.1数字基带传输系统
信道信号形成器：
基带传输系统的输入是由终端设备或编码器产生的脉冲序列，它不一定适合直接在信道中传输。
信道信号形成器的作用就是把原始基带信号变换成适合于信道传输的基带信号，这种变换主要是通过码型变换和波形变换来实现的，其目的是与信道匹配，便于传输，减小码间串扰，利于同步提取和抽样判决。
信道：
允许基带信号通过的媒质。
信道的传输特性通常不满足无失真传输条件，恒参信道如（明线、同轴电缆、对称电缆、光纤通道、无线电视距中继、卫星中继信道）对信号传输的影响主要是线形畸变；随参信道如（短波电离层反射、对流层散射信道等）对信号传输的影响主要有频率弥散现象（多径传播）、频率的选择性衰落。
信道的线性噪声和加性噪声的影响。
在通信系统的分析中，常常把噪声n（t）等效，集中在信道中引入。
接收滤波器：
主要作用是滤除带外噪声，对信道特性均衡，使输出的基带波形有利于抽样判决。
抽样判决器：
它是在传输特性不理想及噪声背景下，在由位定时脉冲控制的特殊点对接收滤波器的输出波形进行抽样判决，以恢复或再生基带信号。
自同步法的同步提取电路：
有两部分组成，包括非线型变换处理电路和窄带滤波器或锁相环。
非线型变换处理电路的作用是使接收信号或解调后的数字基带信号经过非线型变换处理电路后含有位同步分量或位同步信息。
窄带滤波器或锁相环的作用是滤除噪声和其他频谱分量，提取纯净的位同步信号。
在实际基带传输系统中，并非所有的原始基带数字信号都能在信道中传输。
例如，有的信号含有丰富的直流和低频成分，不便提取同步信号；有的信号易于形成码间串扰等。
因此，基带传输系统首先面临的问题是选择什么样的信号形式，即传输码型的选择和基带脉冲波形的选择。
1.5数字基带传输的要求及常用码型
不同形式的数字基带信号（又称为码型）具有不同的频谱结构，为适应信道的传输特性及接收端再生、恢复数字基带信号的需要，必须合理地设计数字基带信号，即选择合适的信号码型。
适合于在有线信道中传输的数字基带信号形式称为线路传输码型。
一般来说，选择数字基带信号码型时，应遵循以下基本原则：
数字基带信号应不含有直流分量，且低频及高频分量也应尽量的少。
在基带传输系统中，往往存在着隔直电容及耦合变压器，不利于直流及低频分量的传输。
此外，高频分量的衰减随传输距离的增加会快速地增大，另一方面，过多的高频分量还会引起话路之间的串扰，因此希望数字基带信号中的高频分量也要尽量的少。
数字基带信号中应含有足够大的定时信息分量。
基带传输系统在接收端进行取样、判决、再生原始数字基带信号时，必须有取样定时脉冲。
基带传输的信号码型应对任何信源具有透明性，即与信源的统计特性无关。
这一点也是为了便于定时信息的提取而提出的。
信源的编码序列中，有时候会出现长时间连“0”的情况，这使接收端在较长的时间段内无信号，因而同步提取电路无法工作。
为避免出现这种现象，基带传输码型必须保证在任何情况下都能使序列中“1”和“0”出现的概率基本相同，且不出现长连“1”或“0”的情况。
当然，这要通过码型变换过程来实现。
码型变换实际上是把数字信息用电脉冲信号重新表示的过程。
此外，选择的基带传输信号码型还应有利于提高系统的传输效率；具有较强的抗噪声和码间串扰的能力及自检能力。
实际系统中常常根据通信距离和传输方式等不同的要求，选择合适的基带码型。
为了在传输信道中获得优良的传输特性，一般要将信码信号变化为适合于信道传输特性的传输码，即进行适当的码型变换。
对传输码型的要求如下：
（1）传输信号的频谱中不应有直流分量，低频分量和高频分量也要小。
（2）码型中应包含定时信息，有利于定时信息的提取，尽量减小定时抖动。
（3）码型变换设备要简单可靠。
（4）码型具有一定检错能力，若传输码型有一定的规律性，则可根据这一规律性检测传输质量，以便做到自动检测。
（5）编码对信息类型不应有任何限制，即对信源具有透明性。
常用的码型有AMI码、HDB3码、分相码、反转码AMI等。
第2章基带系统的理论分析及设计方案
2.1基带系统传输模型及工作原理
基带系统传输模型如图2.1所示。
图2.1基带系统传输模型
1）系统总的传输特性为H（ω）=GT（ω）C（ω）GR（ω），n（t）是信道中的噪声。
2）基带系统的工作原理：
信源是不经过调制解调的数字基带信号，信源在发送端经过发送滤波器形成适合信道传输的码型，经过含有加性噪声的有线信道后，在接收端通过接收滤波器的滤波去噪，由抽样判决器进一步去噪恢复基带信号，从而完成基带信号的传输。
2.2基带系统设计中的码间干扰及噪声干扰
码间干扰及噪声干扰将造成基带系统传输误码率的提升，影响基带系统工作性能。
1）码间干扰及解决方案
码间干扰：
由于基带信号受信道传输时延的影响，信号波形将被延迟从而扩展到下一码元，形成码间干扰，造成系统误码。
解决方案：
①要求基带系统的传输函数H（ω）满足奈奎斯特第一准则：
（2.2.1）
若不能满足奈奎斯特第一准则，在接收端加入时域均衡，减小码间干扰。
②基带系统的系统函数H（ω）应具有升余弦滚降特性。
如图2.2所示。
这样对应的h（t）拖尾收敛速度快，能够减小抽样时刻对其他信号的影响即减小码间干扰。
图2.2升余弦滚降特性
2）噪声干扰及解决方案
噪声干扰：
基带信号没有经过调制就直接在含有加性噪声的信道中传输，加性噪声会叠加在信号上导致信号波形发生畸变。
解决方案：
①在接收端进行抽样判决；
②匹配滤波，使得系统输出信噪比最大。
2.3数字基带信号传输码系统组成
1）常见的基带信号波形有：
单极性波形、双极性波形、单极性归零波形和双极性归零波形。
双极性波形可用正负电平的脉冲分别表示二进制码“1”和“0”，故当“1”和“O”等概率出现时无直流分量，有利于在信道中传输，且在接收端恢复信号的判决电平为零，抗干扰能力较强。
而单极性波形的极性单一，虽然易于用TTL，CMOS电路产生，但直流分量大，要求传输线路具有直流传输能力，不利于信道传输。
2）归零信号的占空比小于1，即：
电脉冲宽度小于码元宽度，每个有电脉冲在小于码元长度内总要回到零电平，这样的波形有利于同步脉冲的提取。
3）基于以上考虑采用双极性归零码——曼彻斯特码作为基带信号。
基带系统设计的核心问题是滤波器的选取，根据1．2的分析，为了使系统冲激响应h（t）拖尾收敛速度加快，减小抽样时刻偏差造成的码间干扰问题，要求发送滤波器应具有升余弦滚降特性；要得到最大输出信噪比，就要使接收滤波器特性与其输入信号的频谱共扼匹配，即：
（2.3.1）
同时系统函数满足：
H（ω）=GT（ω）GR（ω），考虑在t0时刻取样，上述方程改写为：
（2.3.2）
于是求解出：
（2.3.3）
因此，在构造最佳基带传输系统时要使用平方根升余弦滤波器作为发送端和接收端的滤波器。
信道是允许基带信号通过的媒质，通常为有线信道，如市话电缆、架空明线等。
信道的传输特性通常不满足无失真传输条件，且含有加性噪声。
因此本次系统仿真采用高斯白噪声信道。
抽样判决器是在传输特性不理想及噪声背景下，在规定时刻（由位定时脉冲控制）对接收滤波器的输出波形进行抽样判决，以恢复或再生基带信号。
抽样判决关键在于判决门限的确定，由于本次设计采用双极性码，故判决门限为0。
第3章SIMULINK下基带系统的设计与仿真
3.1信源
曼彻斯特的编码规则是这样的，即将二级制码“1”编成“10"，将“0”码编成“01”，在这里由于采用了二进制双极性码，则将“1”编成“+1-1”码，而将“0”码编成“-1+1”码。
根据3．1小节的理论分析，采用SIMULINK中的BernoulliBinaryGenerator（不归零二进制码生成器）、UnipolartoBipolarConverter（单极性向双极性转换器）、PulseGenerator（脉冲生成器）、Constant（常数源模块）、Add（加法器）、Product（乘法器）、Scope（示波器）构成曼彻斯特码的生成电路。
模型连接方法如图所示：
图3.1曼彻斯特码生成电路的模型连接方法
曼切斯特码如图所示
图3.2曼彻斯特码生成电路生产的曼切斯特码
模块参数设置：
BernoulliBinaryGenerator（不归零二进制码生成器）的Prpbabilityofazero（零码概率）设为0．5，Sampletime（采样时间）设为0.001。
PulseGenerator（脉冲生成器）的Amplitude（幅度）设为2，Period设为2，Pulsewidth（脉冲宽度）设为1，占空比为1/2，Phasedelay（相位延迟）设为0，表示不经过延迟，Sampletime设置为1/2000。
UnipolartoBipolarConverter（单极性向双极性转换器）的M-arynumber设为2。
Constant（常数源模块）的Constantvalue设为-1。
BernoulliBinaryGenerator用于产生1和0的随机信号，经过UnipolartoBipolarConverter变为双极性信号；PulseGenerator用于产生占空比为1/2的单极性归零脉冲（2020），经过Add加法电路减一后成为双极性脉冲（+1-1+1-1）。
两路双极性信号成为乘法器Product的输入，相乘后的结果是：
第1路不归零码的1码与第2路（+1-1）码相乘得到（+1-1），第1路-1码与第2路（+1-1）码相乘得到（-1+1）码，这就是曼彻斯特码。
3.2发送滤波器和接收滤波器、信道
为了减小码间干扰，在最大输出信噪比时刻输出信号，减小噪声干扰，传输模块由Upsample（内插函数）、DiscreteFilter根升余弦传输滤波器、AWGNChannel（高斯信道）、DiscreteFilter根升余弦接收滤波器模块组成，其设计框图如图所示：
图3.3发送滤波器和接收滤波器、信道组成的传输框图
模块参数设置：
Upsample的Upsamplefactor设为10，DiscreteFilter根升余弦传输滤波器的Numerator设为rcosine（2,10,'fir/sqrt',0.5,10），Sampletime设为1/10000，AWGNChannel（高斯信道）的Mode选为SNR，SNR设为11，DiscreteFilter根升余弦接收滤波器设置与传输滤波器模块相同。
3.3抽样判决器
利用PulseGeneratorl、Product、Relay、TriggeredSubsystem、Downsample构成抽样判决电路，并通过PulseGeneratorl、Constant、Add、Product模块对接收到的曼彻斯特码进行解码，其抽样判决电路及曼彻斯特码解码电路如图所示：
图3.4抽样判决电路及曼彻斯特码解码电路如图
模块参数设置：
PulseGeneratorl的Amplitude设为1，Period设为10，Pulsewidth设为1，Sampletime设为1/20000；Relay的Switchonpoint和Switchoffpoint都设为0，Outputwhenon设为1，Outputwhenoff设为-1，当采样点的幅值大于0则判为1，小于0则判为-1；Downsample的Downsamplefactor设为10；曼彻斯特码解码模块与编码模块设置相同。
两路双极性信号成为乘法器Product的输入，相乘后的结果是：
第1路不归零码的（+1-1）码与第2路（+1-1）码相乘得到+1码，第1路（-1+1）码与第2路（+1-1）码相乘得到-1码，这就对曼彻斯特码进行了解码。
第4章基带传输系统的仿真结果及分析
4．1基带传输系统设计总图及各点输出波形
基带传输系统的设计总图以及传输过程中的各点波形分别如图所示：
图4.1基带传输系统的设计总图
Scope1的波形：
图4.2Scope1输出的波形
第一行波形是对曼彻斯特码进行10被升速率采样后的波形，将该信号送到传输滤波器中，滤除高频成分得到第二行波形，第三行是第二行波形进过加性高斯白噪声信道传输并通过接收滤波器滤除噪声后的波形，第四行是经过抽样判决器抽样和判决再生产生的曼彻斯特码。
Scope2的波形：
图4.3Scope2输出的波形
从图中的波形来看，传输是有效的。
第一行是信源端发送的信号波形，第二行是接收端收到的信号波形，与第一行的基带信号比较，波形基本相同，这说明所设计的基带系统没有产生误码，达到了抗码间干扰和抗噪声干扰的目的。
4．2眼图的观测结果
下图为接收滤波器观察到的眼图，从图中可看出，在信噪比为15dB下观察眼图，“眼睛”睁开的角度很大，且没有“杂线”，说明系统在该信噪比下具有很好的抗码间干扰能力。
图4.4接收滤波器观察到的眼图
4．3发送信号和接收信号的功率谱
图4.5发送信号和接收信号的功率谱
左边为发射信号功率谱,左边为及接收信号功率谱。
4．4传输过程的误码率
当加性高斯白信道信噪比（SNR）为10dB时误码率约为0.008371。
当加性高斯白信道信噪比（SNR）为13dB时误码率约为0.006626。
当加性高斯白信道信噪比（SNR）为15dB时误码率约为0.001885。
图4.6SNR分别为10dB、15dB、20dB时的误码率
通过对上图的分析，SNR分别为10dB、15dB、20dB时,误码率依次减小，误码率产生的主要原因是信道中信噪比的大小,噪声过大会对信号造成干扰,从而使接收端产生误码。
总结
本次综合训练建立一个基带传输模型，采用曼彻斯特码作为基带信号，发送滤波器为平方根升余弦滤波器，接收滤波器与发送滤波器相匹配，实现了匹配滤波、减小系统码间干扰，通过抽样判决与曼彻斯特码再生电路恢复信号。
示波器观测到的各点波形及眼图的观测的结果得出：
基带系统的设计达到了预期要求，且具有较好的抗码间干扰和噪声干扰能力。
通过训练使我更加清晰的了解一个通信系统的构造，对信号编码、发送、接收、解码原理都有了清晰的认识，也使我对Simulink中各个模块的作用及参数设置有了更深一步的认识。
在这些天时间大部分在调整参数上，也使我体会到把书本上的知识与实际运用相结合不是那么容易的，各个模块之间的参数都要得到很好的配合才能达到想要的效果。
此次综合训练对数字基带信号传输的特性进行了分析，并通过对基带传输理论的深入理解，运用数值仿真的方法，对基带传输的特性作了模拟。
研究结果表明，传输基带信号受到约束的主要因素是系统的频率特性。
当然可以有意地加宽传输频带使这种干扰减小到任意程度。
然而这会导致不必要地浪费带宽。
如果展宽得太多还会将过大的噪声引入系统。
因此应该探索另外的代替途径，即通过设计信号波形，或采用合适的传输滤波器，以便在最小传输带宽的条件下大大减小或消除这种干扰。
实际中是有噪声的存在，以及对滤波器性能的要求，我们对基带传输函数选择升余弦滚降函数。
并且实际中，我们对系统有较低的误码率，并且系统在设计过程中易于完成，且成本低，我们采取匹配滤波器，在最大信噪比接收条件下对基带最佳化。
本次综合训练对我们深入了解数字通信具有积极意义。
参考文献
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